Me kõik teame, et inimese välimus, mõned harjumused ja isegi haigused on päritud. Kogu see teave elusolendite kohta on kodeeritud geenidesse. Kuidas need kurikuulsad geenid välja näevad, kuidas nad toimivad ja kus nad asuvad?
Seega on iga inimese või looma kõigi geenide kandja DNA. Selle ühendi avastas Johann Friedrich Miescher aastal 1869. Keemiliselt on DNA desoksüribonukleiinhape. Mida see tähendab? Kuidas kannab see hape kogu meie planeedi elu geneetilist koodi?
Alustuseks vaatame, kus DNA asub. Inimese rakus on palju organelle, mis täidavad erinevaid funktsioone. DNA asub tuumas. Tuum on väike organell, mida ümbritseb spetsiaalne membraan, mis talletab kogu geneetilise materjali – DNA.
Mis on DNA molekuli struktuur?
Kõigepealt vaatame, mis on DNA. DNA on väga pikk molekul, mis koosneb struktuurielementidest – nukleotiididest. Nukleotiide on 4 tüüpi – adeniin (A), tümiin (T), guaniin (G) ja tsütosiin (C). Nukleotiidide ahel näeb skemaatiliselt välja selline: GGAATTSTAAG.... See nukleotiidide jada on DNA ahel.DNA struktuuri dešifreerisid esmakordselt 1953. aastal James Watson ja Francis Crick.
Ühes DNA molekulis on kaks nukleotiidide ahelat, mis on spiraalselt üksteise ümber keerdunud. Kuidas need nukleotiidahelad kokku kleepuvad ja spiraaliks keerduvad? See nähtus on tingitud komplementaarsuse omadusest. Komplementaarsus tähendab, et ainult teatud nukleotiidid (komplementaarsed) võivad olla kahes ahelas üksteise vastas. Seega on vastupidine adeniin alati tümiin ja vastupidine guaniin on alati ainult tsütosiin. Seega on guaniin komplementaarne tsütosiiniga ja adeniin tümiiniga.Selliseid erinevates ahelates üksteise vastas olevaid nukleotiidipaare nimetatakse ka komplementaarseteks.
Skemaatiliselt saab seda kujutada järgmiselt:
G-C
T-A
T-A
C-G
Need täiendavad paarid A - T ja G - C moodustavad keemiline side paari nukleotiidide vahel ning side G ja C vahel on tugevam kui A ja T vahel. Side moodustub rangelt komplementaarsete aluste vahel, see tähendab, et sideme teke mittekomplementaarsete G ja A vahel on võimatu.
DNA "pakend", kuidas saab DNA ahelast kromosoom?
Miks need DNA nukleotiidahelad ka üksteise ümber keerduvad? Miks seda vaja on? Fakt on see, et nukleotiidide arv on tohutu ja selliste pikkade ahelate mahutamiseks on vaja palju ruumi. Sel põhjusel keerlevad kaks DNA ahelat spiraalselt üksteise ümber. Seda nähtust nimetatakse spiraliseerumiseks. Spiraliseerimise tulemusena lühenevad DNA ahelad 5-6 korda.Mõnda DNA molekuli kasutab keha aktiivselt, teisi aga harva. Sellised harva kasutatavad DNA molekulid läbivad lisaks heliliseerimisele veelgi kompaktsema "pakendamise". Sellist kompaktset paketti nimetatakse superspiraaliks ja see lühendab DNA ahelat 25-30 korda!
Kuidas DNA heeliksit pakendatakse?
Ülikerimiseks kasutatakse histooni valke, millel on niidi- või niidirulli välimus ja struktuur. Nendele "spiraalidele" - histooni valkudele - keritakse spiraalseid DNA ahelaid. Nii pakitakse pikk hõõgniit väga kompaktselt kokku ja võtab väga vähe ruumi. Kui on vaja kasutada üht või teist DNA molekuli, toimub “lahtikeerdumise” protsess, see tähendab, et “poolist” “keritakse” välja DNA niit - histooni valk (kui see oli sellele keritud) ja keritakse lahti. spiraal kaheks paralleelseks ahelaks. Ja kui DNA molekul on sellises keerdumata olekus, siis saab sealt välja lugeda vajalikku geneetilist informatsiooni. Veelgi enam, geneetilise teabe lugemine toimub ainult keerdumata DNA ahelatest!
Superspiraalkromosoomide komplekti nimetatakse heterokromatiin ja teabe lugemiseks saadaolevad kromosoomid - eukromatiin.
Mis on geenid, milline on nende suhe DNA-ga?
Vaatame nüüd, mis on geenid. On teada, et on geene, mis määravad veregrupi, silmade, juuste, naha värvi ja palju muid meie keha omadusi. Geen on DNA rangelt määratletud osa, mis koosneb teatud arvust nukleotiididest, mis on paigutatud rangelt määratletud kombinatsiooni. Asukoht DNA rangelt määratletud osas tähendab, et konkreetsel geenil on oma koht ja seda kohta on võimatu muuta. On kohane tuua selline võrdlus: inimene elab kindlal tänaval, kindlas majas ja korteris ning inimene ei saa omavoliliselt teise majja, korterisse ega teisele tänavale kolida. Teatud arv nukleotiide geenis tähendab, et igal geenil on kindel arv nukleotiide ja see ei saa muutuda rohkemaks ega vähemaks. Näiteks insuliini tootmist kodeeriv geen on 60 aluspaari pikkune; hormooni oksütotsiini tootmist kodeeriv geen on 370 bp. Range nukleotiidjärjestus on iga geeni jaoks ainulaadne ja rangelt määratletud. Näiteks AATTAATA järjestus on insuliini tootmist kodeeriva geeni fragment. Insuliini saamiseks kasutatakse just sellist järjestust, näiteks adrenaliini saamiseks kasutatakse teistsugust nukleotiidide kombinatsiooni. Oluline on mõista, et ainult teatud nukleotiidide kombinatsioon kodeerib teatud "produkti" (adrenaliin, insuliin jne). Selline ainulaadne teatud arvu nukleotiidide kombinatsioon, mis seisab "oma kohal" - see on geen.
Lisaks geenidele asuvad DNA ahelas nn "mittekodeerivad järjestused". Sellised mittekodeerivad nukleotiidjärjestused reguleerivad geenide talitlust, aitavad kaasa kromosoomide spiraliseerumisele ning tähistavad geeni algus- ja lõpp-punkte. Tänaseks on enamiku mittekodeerivate järjestuste roll siiski ebaselge.
Mis on kromosoom? sugukromosoomid
Inimese geenide kogumit nimetatakse genoomiks. Loomulikult ei saa kogu genoomi pakkida ühte DNA-sse. Genoom on jagatud 46 paariks DNA molekule. Ühte DNA molekulide paari nimetatakse kromosoomiks. Nii et just nendes kromosoomides on inimesel 46 tükki. Iga kromosoom kannab endas rangelt määratletud geenide komplekti, näiteks 18. kromosoom sisaldab silmavärvi kodeerivaid geene jne. Kromosoomid erinevad üksteisest pikkuse ja kuju poolest. Levinumad vormid on X- või Y-kujulised, kuid on ka teisi. Inimesel on kaks ühesuguse kujuga kromosoomi, mida nimetatakse paaristeks (paarideks). Seoses selliste erinevustega on kõik paaris kromosoomid nummerdatud – neid on 23 paari. See tähendab, et on olemas kromosoomipaar #1, paar #2, #3 jne. Iga konkreetse tunnuse eest vastutav geen asub samas kromosoomis. Kaasaegsetes spetsialistide käsiraamatutes võib geeni lokalisatsiooni näidata näiteks järgmiselt: kromosoom 22, pikk käsi.Millised on kromosoomide erinevused?
Kuidas muidu kromosoomid üksteisest erinevad? Mida tähendab mõiste pikk käsi? Võtame X-kujulised kromosoomid.DNA ahelate ristumine võib toimuda rangelt keskel (X) või mitte tsentraalselt. Kui selline DNA ahelate ristumiskoht ei toimu tsentraalselt, siis lõikepunkti suhtes on ühed otsad pikemad, teised lühemad. Selliseid pikki otsi nimetatakse tavaliselt kromosoomi pikaks käeks ja lühikesi otsi vastavalt lühikeseks käeks. Y-kujulised kromosoomid on enamasti hõivatud pikkade kätega ja lühikesed on väga väikesed (neid pole skemaatilisel pildil isegi näidatud). Kromosoomide suurus kõigub: suurimad on paaride nr 1 ja nr 3 kromosoomid, kõige väiksemad paaride nr 17, nr 19 kromosoomid.
Lisaks kuju ja suurusele erinevad kromosoomid ka oma funktsioonide poolest. 23 paarist on 22 paari somaatilised ja 1 paar seksuaalsed. Mida see tähendab? Somaatilised kromosoomid määravad kindlaks kõik indiviidi välised tunnused, tema käitumisreaktsioonide omadused, päriliku psühhotüübi, see tähendab iga inimese kõik tunnused ja omadused. Sugukromosoomipaar määrab inimese soo: mees või naine. Inimese sugukromosoome on kahte tüüpi – X (X) ja Y (Y). Kui need on kombineeritud kui XX (X - X) - see on naine ja kui XY (X - Y) - on meie ees mees.
Pärilikud haigused ja kromosoomikahjustused
Küll aga toimuvad genoomi "lagunemised", siis avastatakse inimestel geneetilised haigused. Näiteks kui 21 kromosoomipaaris on kahe asemel kolm kromosoomi, sünnib inimene Downi sündroomiga.On palju väiksemaid geneetilise materjali "lagunemisi", mis ei too kaasa haiguse algust, vaid, vastupidi, annavad head omadused. Kõiki geneetilise materjali "lagunemisi" nimetatakse mutatsioonideks. Mutatsioone, mis põhjustavad haigusi või organismi omaduste halvenemist, loetakse negatiivseteks ja mutatsioone, mis viivad uute moodustumiseni. kasulikud omadused peetakse positiivseks.
Kuid enamiku haiguste puhul, mida inimesed tänapäeval põevad, ei ole see pärilik haigus, vaid ainult eelsoodumus. Näiteks lapse isal imendub suhkur aeglaselt. See ei tähenda, et laps sünnib diabeediga, kuid lapsel on eelsoodumus. See tähendab, et kui laps kuritarvitab maiustusi ja jahutooted tal tekib diabeet.
Tänapäeval on nn predikatiiv ravim. Selle meditsiinipraktika raames avastatakse inimesel eelsoodumused (vastavate geenide tuvastamise alusel) ja seejärel antakse talle soovitused - millist dieeti järgida, kuidas töö- ja puhkerežiime õigesti vahelduda, et mitte haigestuma.
Kuidas lugeda DNA-sse kodeeritud teavet?
Aga kuidas saate lugeda DNA-s sisalduvat teavet? Kuidas tema enda keha seda kasutab? DNA ise on omamoodi maatriks, kuid mitte lihtne, vaid kodeeritud. DNA maatriksist teabe lugemiseks kantakse see esmalt spetsiaalsele kandjale - RNA-le. RNA on keemiliselt ribonukleiinhape. See erineb DNA-st selle poolest, et suudab läbi tuumamembraani rakku tungida ja DNA-l see võime puudub (see saab olla ainult tuumas). Kodeeritud teavet kasutatakse lahtris endas. Niisiis on RNA kodeeritud teabe kandja tuumast rakku.Kuidas toimub RNA süntees, kuidas sünteesitakse valke RNA abil?
DNA ahelad, millest tuleb infot “lugeda”, kerivad lahti, neile läheneb spetsiaalne ensüüm “ehitaja” ja sünteesib paralleelselt DNA ahelaga komplementaarse RNA ahela. RNA molekul koosneb ka 4 tüüpi nukleotiididest – adeniinist (A), uratsilist (U), guaniinist (G) ja tsütosiinist (C). Sel juhul täiendavad järgmised paarid: adeniin - uratsiil, guaniin - tsütosiin. Nagu näete, kasutab RNA erinevalt DNA-st tümiini asemel uratsiili. See tähendab, et “ehitaja” ensüüm töötab järgmiselt: kui ta näeb DNA ahelas A, siis seob ta RNA ahelaga Y, kui G, siis C jne. Seega moodustub igast aktiivsest geenist transkriptsiooni käigus matriit – RNA koopia, mis suudab läbida tuumamembraani. Kuidas konkreetne geen kodeerib valgu sünteesi?
Pärast tuumast lahkumist siseneb RNA tsütoplasmasse. Juba tsütoplasmas võib RNA olla maatriksina ehitatud spetsiaalsetesse ensüümsüsteemidesse (ribosoomidesse), mis suudavad RNA informatsioonist juhindudes sünteesida valgu vastavat aminohappejärjestust. Nagu teate, koosneb valgu molekul aminohapetest. Kuidas õnnestub ribosoomil teada saada, milline aminohape kasvava valguahela külge kinnituda? Seda tehakse kolmikkoodi alusel. Kolmikkood tähendab, et RNA ahela kolme nukleotiidi järjestus ( kolmik, näiteks GGU) kodeerib ühte aminohapet (antud juhul glütsiini). Iga aminohapet kodeerib konkreetne kolmik. Ja nii, ribosoom "loeb" tripleti, määrab, milline aminohape tuleks järgmisena lisada, kui teave loetakse RNA-sse. Kui aminohapete ahel moodustub, võtab see teatud ruumilise kuju ja muutub valguks, mis on võimeline täitma talle määratud ensümaatilisi, ehituslikke, hormonaalseid ja muid funktsioone.Iga elusorganismi valk on geeniprodukt. Just valgud määravad geenide kõik erinevad omadused, omadused ja välised ilmingud.
8.1. Geen kui pärilikkuse diskreetne ühik
Üks geneetika põhimõisteid selle arengu kõigil etappidel oli pärilikkuse ühiku kontseptsioon. Geneetika (pärilikkuse ja muutlikkuse teaduse) rajaja G. Mendel jõudis 1865. aastal oma hernestega tehtud katsete tulemuste põhjal järeldusele, et pärilikkusmaterjal on diskreetne, s.o. mida esindavad üksikud pärilikkuse ühikud. Pärilikkuse ühikuid, mis vastutavad üksikute tunnuste kujunemise eest, nimetas G. Mendel "kalduvusteks". Mendel väitis, et kehas on mis tahes tunnuse jaoks paar alleelset kalduvust (üks kummaltki vanemalt), mis ei suhtle üksteisega, ei segune ega muutu. Seetõttu siseneb organismide sugulisel paljunemisel sugurakkudesse ainult üks pärilikest kalduvustest "puhtal" muutumatul kujul.
Hiljem said G. Mendeli oletused pärilikkuse ühikute kohta täieliku tsütoloogilise kinnituse. 1909. aastal nimetas Taani geneetik W. Johansen Mendeli "pärilikke kalduvusi" geenideks.
Klassikalise geneetika raames käsitletakse geeni kui funktsionaalselt jagamatut ühikut pärilik materjal, mis määrab mõne elementaarse tunnuse kujunemise.
Konkreetse geeni oleku erinevaid variante, mis tulenevad muutustest (mutatsioonidest), nimetatakse "alleelideks" (alleelseteks geenideks). Geeni alleelide arv populatsioonis võib olla märkimisväärne, kuid konkreetses organismis on konkreetse geeni alleelide arv alati võrdne kahega – vastavalt homoloogsete kromosoomide arvule. Kui populatsioonis on mis tahes geeni alleelide arv suurem kui kaks, siis nimetatakse seda nähtust "mitmekordseks alleelismiks".
Geene iseloomustavad kaks bioloogiliselt vastandlikku omadust: nende struktuurse organisatsiooni kõrge stabiilsus ja pärilike muutuste (mutatsioonide) võime. Tänu nendele ainulaadsetele omadustele on see tagatud: ühelt poolt bioloogiliste süsteemide stabiilsus (muutmatus mitmes põlvkonnas) ja teiselt poolt nende ajaloolise arengu protsess, tingimustega kohanemise kujunemine. keskkond, st. evolutsioon.
8.2. Geen kui geneetilise informatsiooni ühik. Geneetiline kood.
Enam kui 2500 aastat tagasi väitis Aristoteles, et sugurakud pole sugugi tulevase organismi miniatuursed versioonid, vaid struktuurid, mis sisaldavad teavet embrüote arengu kohta (kuigi ta tunnistas ainult munaraku erakordset tähtsust spermatosoidide kahjuks). Selle idee arendamine kaasaegses uurimistöös sai aga võimalikuks alles pärast 1953. aastat, mil J. Watson ja F. Crick töötasid välja DNA struktuuri kolmemõõtmelise mudeli ning lõid sellega teaduslikud eeldused päriliku informatsiooni molekulaarsete aluste paljastamiseks. Sellest ajast alates algas kaasaegse molekulaargeneetika ajastu.
Molekulaargeneetika areng on viinud geneetilise (päriliku) teabe keemilise olemuse avalikustamiseni ja täitnud konkreetse tähendusega idee geenist kui geneetilise teabe ühikust.
Geneetiline informatsioon on DNA pärilikesse struktuuridesse põimitud teave elusorganismide tunnuste ja omaduste kohta, mis realiseerub ontogeneesis valgusünteesi teel. Iga uus põlvkond saab pärilikku teavet organismi arendamise programmina oma esivanematelt genoomigeenide komplekti kujul. Päriliku teabe ühik on geen, mis on funktsionaalselt jagamatu DNA osa, millel on spetsiifiline nukleotiidjärjestus, mis määrab konkreetse polüpeptiidi või RNA nukleotiidide aminohappejärjestuse.
Pärilik teave valgu primaarse struktuuri kohta salvestatakse DNA-sse geneetilise koodi abil.
Geneetiline kood on süsteem geneetilise teabe salvestamiseks DNA (RNA) molekulis kindla nukleotiidide järjestuse kujul. See kood toimib võtmena mRNA nukleotiidjärjestuse transleerimiseks polüpeptiidahela aminohappejärjestuseks selle sünteesi ajal.
Geneetilise koodi omadused:
1. Kolmilisus – iga aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus (triplet või koodon)
2. Degeneratsioon – enamik aminohappeid on krüpteeritud rohkem kui ühe koodoniga (2 kuni 6). DNA-s või RNA-s on 4 erinevat nukleotiidi, mis teoreetiliselt võivad moodustada 64 erinevat kolmikut (4 3 = 64), et kodeerida 20 valke moodustavat aminohapet. See seletab geneetilise koodi degeneratsiooni.
3. Mittekattuv – sama nukleotiid ei saa olla samaaegselt kahe kõrvuti asetseva kolmiku osa.
4. Spetsiifilisus (ainulaadsus) – iga kolmik kodeerib ainult ühte aminohapet.
5. Koodil pole kirjavahemärke. Info lugemine mRNA-st valgusünteesi ajal läheb alati vastavalt mRNA koodonite järjestusele suunas 5, - 3. Kui üks nukleotiid kukub välja, siis selle lugemisel tuleb asemele lähim nukleotiid naaberkoodist, mis muudab aminohappe koostist valgumolekulis.
6. Kood on universaalne kõigile elusorganismidele ja viirustele: samad kolmikud kodeerivad samu aminohappeid.
Geneetilise koodi universaalsus näitab kõigi elusorganismide päritolu ühtsust
Geneetilise koodi universaalsus pole aga absoluutne. Mitokondrites on koodonite arvul erinev tähendus. Seetõttu räägitakse mõnikord geneetilise koodi peaaegu universaalsusest. Mitokondrite geneetilise koodi tunnused viitavad selle evolutsiooni võimalusele eluslooduse ajaloolise arengu protsessis.
Universaalse geneetilise koodi kolmikute hulgas ei kodeeri kolm koodonit aminohappeid ja määravad antud polüpeptiidi molekuli sünteesi lõpu. Need on niinimetatud "nonsens" koodonid (stoppkoodonid või terminaatorid). Nende hulka kuuluvad: DNA-s - ATT, ACT, ATC; RNA-s - UAA, UGA, UAG.
Nukleotiidide vastavust DNA molekulis aminohapete järjestusele polüpeptiidi molekulis nimetatakse kollineaarsuseks. Päriliku teabe realiseerimise mehhanismi dešifreerimisel mängis otsustavat rolli kollineaarsuse eksperimentaalne kinnitamine.
Geneetilise koodi koodonite tähendused on toodud tabelis 8.1.
Tabel 8.1. Geneetiline kood (aminohapete mRNA koodonid)
Seda tabelit kasutades saab aminohapete määramiseks kasutada mRNA koodoneid. Esimene ja kolmas nukleotiid võetakse vertikaalsetest veergudest, mis asuvad paremal ja vasakul, ja teine - horisontaalselt. Tingimuslike joonte ristumiskoht sisaldab teavet vastava aminohappe kohta. Pange tähele, et tabelis on loetletud mRNA kolmikud, mitte DNA kolmikud.
Geeni struktuurne – funktsionaalne korraldus
Geeni molekulaarbioloogia
Kaasaegne idee geeni struktuurist ja funktsioonist kujunes välja kooskõlas uue suunaga, mida J. Watson nimetas geeni molekulaarbioloogiaks (1978)
Oluline etapp geeni struktuurse ja funktsionaalse organisatsiooni uurimisel oli S. Benzeri töö 1950. aastate lõpus. Nad tõestasid, et geen on nukleotiidjärjestus, mis võib muutuda rekombinatsioonide ja mutatsioonide tulemusena. S. Benzer nimetas rekombinatsiooni ühikut rekoniks ja mutatsiooniühikut mutooniks. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et muton ja recon vastavad ühele nukleotiidide paarile. S. Benzer nimetas geneetilise funktsiooni ühikut tsistroniks.
AT viimased aastad sai teatavaks, et geenil on keeruline sisemine struktuur ja selle üksikutel osadel on erinevad funktsioonid. Geenis saab eristada geeni nukleotiidjärjestust, mis määrab polüpeptiidi struktuuri. Seda järjestust nimetatakse tsistroniks.
Tsistron on DNA nukleotiidide järjestus, mis määrab polüpeptiidahela konkreetse geneetilise funktsiooni. Geeni võib esindada üks või mitu tsistronit. Kompleksseid geene, mis sisaldavad mitut tsistronit, nimetatakse polütsistrooniline.
Edasine areng geeni teooriat seostatakse geneetilise materjali korralduse erinevuste tuvastamisega üksteisest taksonoomiliselt kaugel asuvates organismides, mis on pro- ja eukarüootid.
Prokarüootide geenistruktuur
Prokarüootides, mille tüüpilised esindajad on bakterid, on enamik geene esindatud pidevate informatiivsete DNA lõikudega, mille kogu informatsiooni kasutatakse polüpeptiidi sünteesil. Bakterites hõivavad geenid 80-90% DNA-st. Prokarüootsete geenide peamine omadus on nende ühinemine rühmadeks või operoniteks.
Operon on järjestikuste struktuurigeenide rühm, mida kontrollib üks DNA regulaatorpiirkond. Kõik seotud operoni geenid kodeerivad sama ainevahetusraja (nt laktoosi seedimise) ensüüme. Sellist tavalist mRNA molekuli nimetatakse polütsistrooniliseks. Ainult mõned prokarüootide geenid on individuaalselt transkribeeritud. Nende RNA-d nimetatakse monotsistrooniline.
Operoni tüüpi organisatsioon võimaldab bakteritel kiiresti vahetada ainevahetust ühelt substraadilt teisele. Bakterid ei sünteesi vajaliku substraadi puudumisel teatud metaboolsete radade ensüüme, vaid on võimelised neid sünteesima substraadi olemasolul.
Eukarüootsete geenide struktuur
Enamikul eukarüootsetest geenidest (erinevalt prokarüootsetest geenidest) on iseloomulik tunnus: need ei sisalda mitte ainult polüpeptiidi struktuuri kodeerivaid piirkondi - eksoneid, vaid ka mittekodeerivaid piirkondi - introneid. Intronid ja eksonid vahelduvad üksteisega, mis annab geenile katkendliku (mosaiikse) struktuuri. Intronite arv geenides varieerub 2-st kümneni. Intronite roll pole täiesti selge. Arvatakse, et nad osalevad geneetilise materjali rekombinatsiooni protsessides, samuti geeni ekspressiooni (geneetilise teabe rakendamise) reguleerimises.
Tänu geenide ekson-intron-korraldusele luuakse eeldused alternatiivseks splaissimiseks. Alternatiivne splaissimine on protsess, mille käigus "lõikatakse" primaarsest RNA transkriptist välja erinevad intronid, mille tulemusena saab ühe geeni põhjal sünteesida erinevaid valke. Alternatiivse splaissimise nähtus esineb imetajatel erinevate immunoglobuliini geenidel põhinevate antikehade sünteesi ajal.
Geneetilise materjali peenstruktuuri edasine uurimine muutis veelgi keerulisemaks mõiste "geen" määratluse selguse. Eukarüootide genoomist on leitud ulatuslikke regulatoorseid piirkondi, kus on erinevad piirkonnad, mis võivad paikneda väljaspool transkriptsiooniühikuid kümnete tuhandete aluspaaride kaugusel. Eukarüootse geeni struktuuri, sealhulgas transkribeeritud ja reguleerivaid piirkondi, võib kujutada järgmiselt.
Joonis 8.1. Eukarüootse geeni struktuur
1 - võimendajad; 2 - summutid; 3 – promootor; 4 - eksonid; 5 - intronid; 6, eksoni piirkonnad, mis kodeerivad transleerimata piirkondi.
Promootor on DNA osa, mis seondub RNA polümeraasiga ja moodustab DNA-RNA polümeraasi kompleksi RNA sünteesi alustamiseks.
Enhanserid on transkriptsiooni võimendajad.
Summutid on transkriptsiooni summutajad.
Praegu käsitletakse geeni (tsistronit) kui funktsionaalselt jagamatut päriliku meisterlikkuse ühikut, mis määrab organismi mis tahes tunnuse või omaduse arengu. Molekulaargeneetika seisukohalt on geen DNA osa (mõnedes viirustes RNA), mis kannab teavet polüpeptiidi, transpordimolekuli ja ribosomaalse RNA primaarstruktuuri kohta.
Diploidsetel inimese rakkudel on ligikaudu 32 000 geenipaari. Enamik geene igas rakus on vaiksed. Aktiivsete geenide komplekt sõltub koe tüübist, organismi arenguperioodist ja vastuvõetud välis- või sisesignaalidest. Võib öelda, et igas rakus "helib" oma geenide akord, mis määrab sünteesitud RNA, valkude spektri ja vastavalt ka raku omadused.
Viiruste geenistruktuur
Viirustel on geenistruktuur, mis peegeldab peremeesraku geneetilist struktuuri. Seega on bakteriofaagi geenid kokku pandud operoniteks ja neil ei ole introneid, eukarüootsetel viirustel aga on intronid.
Viiruse genoomide iseloomulik tunnus on geenide "kattumise" nähtus ("geen geenis")."Kattuvates" geenides kuulub iga nukleotiid ühele koodonile, kuid samast nukleotiidjärjestusest pärineva geneetilise informatsiooni lugemiseks on erinevad raamid. Seega on faagil φ X 174 DNA molekuli segment, mis on osa korraga kolmest geenist. Kuid nendele geenidele vastavaid nukleotiidjärjestusi loetakse igaüks oma võrdlusraamistikus. Seetõttu on võimatu rääkida koodi "kattumisest".
Selline geneetilise materjali organiseerimine ("geen geenis") laiendab suhteliselt väikese viiruse genoomi infovõimet. Viiruste geneetilise materjali toimimine toimub olenevalt viiruse struktuurist erineval viisil, kuid alati peremeesraku ensüümsüsteemi kaasabil. Erinevaid viise geenide organiseeritus viirustes, pro- ja eukarüootides on näidatud joonisel 8.2.
Funktsionaalselt – geenide geneetiline klassifikatsioon
On mitmeid geenide klassifikatsioone. Nii eraldatakse näiteks alleelsed ja mittealleelsed geenid, letaalsed ja poolletaalsed, “majapidamise” geenid, “luksusgeenid” jne.
Majapidamisgeenid- aktiivsete geenide kogum, mis on vajalik kõigi keharakkude toimimiseks, sõltumata koe tüübist, keha arenguperioodist. Need geenid kodeerivad ensüüme transkriptsiooniks, ATP sünteesiks, replikatsiooniks, DNA parandamiseks jne.
"luksus" geenid on valikulised. Nende toimimine on spetsiifiline ja sõltub koe tüübist, organismi arenguperioodist ning vastuvõetud välis- või sisesignaalidest.
Tuginedes kaasaegsetele ideedele geenist kui päriliku materjali funktsionaalselt jagamatust ühikust ja genotüübi süsteemsest korraldusest, võib kõik geenid põhimõtteliselt jagada kahte rühma: struktuursed ja regulatoorsed.
Reguleerivad geenid- kodeerida spetsiifiliste, struktuursete geenide talitlust mõjutavate valkude sünteesi selliselt, et vajalikud valgud sünteesitakse erineva koekuuluvuse rakkudes ja vajalikes kogustes.
Struktuurne nimetatakse geenideks, mis kannavad teavet valgu, rRNA või tRNA primaarstruktuuri kohta. Valku kodeerivad geenid kannavad teavet teatud polüpeptiidide aminohappejärjestuse kohta. Nendest DNA piirkondadest transkribeeritakse mRNA, mis toimib matriitsina valgu primaarstruktuuri sünteesil.
rRNA geenid(Eristatakse 4 sorti) sisaldavad teavet ribosomaalse RNA nukleotiidjärjestuse kohta ja määravad nende sünteesi.
tRNA geenid(rohkem kui 30 sorti) kannavad teavet ülekande-RNA-de struktuuri kohta.
Struktuursed geenid, mille toimimine on tihedalt seotud spetsiifiliste järjestustega DNA molekulis, mida nimetatakse regulatsioonipiirkondadeks, jaotatakse:
sõltumatud geenid;
Korduvad geenid
geeniklastrid.
Sõltumatud geenid on geenid, mille transkriptsioon ei ole seotud teiste geenide transkriptsiooniga transkriptsiooniüksuses. Nende aktiivsust saab reguleerida eksogeensete ainetega, näiteks hormoonidega.
Korduvad geenid esinevad kromosoomis sama geeni kordustena. Ribosomaalset 5-S-RNA geeni korratakse sadu kordi ja kordused asetsevad tandemina, st üksteise järel ilma lünkadeta.
Geeniklastrid on erinevate struktuursete geenide rühmad, millel on seotud funktsioonid, mis paiknevad kromosoomi teatud piirkondades (lookuses). Klastrid esinevad sageli ka kromosoomis korduste kujul. Näiteks histooni geenide klaster kordub inimese genoomis 10-20 korda, moodustades korduste tandemrühma (joonis 8.3.)
Joon.8.3. Histooni geenide klaster
Harvade eranditega transkribeeritakse klastrid tervikuna, ühe pika eel-mRNA-na. Seega sisaldab histooni geeniklastri pre-mRNA teavet kõigi viie histooni valgu kohta. See kiirendab histooni valkude sünteesi, mis osalevad kromatiini nukleosomaalse struktuuri moodustamises.
Samuti on keerukaid geeniklastreid, mis võivad kodeerida pikki polüpeptiide, millel on mitu ensümaatilise aktiivsust. Näiteks üks NeuraSpora grassa geenidest kodeerib polüpeptiidi molekulmassiga 150 000 daltonit, mis vastutab 5 järjestikuse etapi eest aromaatsete aminohapete biosünteesis. Arvatakse, et polüfunktsionaalsetel valkudel on mitu domeeni - polüpeptiidahelas konformatsiooniliselt piiratud poolautonoomsed moodustised, mis täidavad spetsiifilisi funktsioone. Poolfunktsionaalsete valkude avastamine andis alust arvata, et need on ühe geeni pleiotroopse toime üheks mehhanismiks mitme tunnuse kujunemisel.
Nende geenide kodeerivasse järjestusse võivad kiiluda mittekodeerivad, mida nimetatakse introniteks. Lisaks võivad geenide vahel olla vahe- ja satelliit-DNA lõigud (joonis 8.4).
Joon.8.4. Nukleotiidjärjestuste (geenide) struktuurne korraldus DNA-s.
Välise DNA asub geenide vahel ega ole alati transkribeeritud. Mõnikord sisaldab sellise DNA geenidevaheline piirkond (nn spacer) mõnda transkriptsiooni reguleerimisega seotud teavet, kuid see võib olla ka lihtsalt lühikesed korduvad DNA liigjärjestused, mille roll jääb ebaselgeks.
Satelliidi DNA sisaldab suur hulk korduvate nukleotiidide rühmad, millel pole mõtet ja mida ei transkribeerita. See DNA asub sageli mitootiliste kromosoomide tsentromeeride heterokromatiini piirkonnas. Satelliidi DNA üksikutel geenidel on struktuurgeenidele reguleeriv ja tugevdav toime.
Mikro- ja minisatelliidi DNA pakub molekulaarbioloogia ja meditsiinigeneetika jaoks suurt teoreetilise ja praktilise huvi.
mikrosatelliidi DNA- 2-6 (tavaliselt 2-4) nukleotiidi lühikesed tandemkordused, mida nimetatakse STR-ks. Kõige tavalisemad on nukleotiidide CA kordused. Korduste arv võib oluliselt erineda erinevad inimesed. Mikrosatelliite leidub valdavalt teatud DNA piirkondades ja need on päritud vastavalt Mendeli seadustele. Lapsed saavad ühe kromosoomi emalt, teatud arvu kordustega, teise isalt, erineva korduste arvuga. Kui selline mikrosatelliitide klaster paikneb monogeense haiguse eest vastutava geeni kõrval või geeni sees, siis võib teatud arv kordusi kogu klastri pikkuses olla patoloogilise geeni marker. Seda funktsiooni kasutatakse geenihaiguste kaudsel diagnoosimisel.
Minisatelliidi DNA- 15-100 nukleotiidi tandemkordused. Neid nimetati VNTR-iks – tandemkordused, mille arv on muutuv. Ka nende lookuste pikkus on erinevatel inimestel oluliselt erinev ja võib olla patoloogilise geeni marker (märgis).
Mikro- ja makrosatelliidi DNA kasutamine:
1. Geenihaiguste diagnoosimiseks;
2. Kohtuarstlikul läbivaatusel isiku tuvastamiseks;
3. Isaduse tuvastamiseks ja muudes olukordades.
Koos struktuursete ja regulatoorsete korduvate järjestustega, mille funktsioonid on teadmata, on leitud migreeruvaid nukleotiidjärjestusi (transposoonid, liikuvad geenid), aga ka eukarüootides nn pseudogeene.
Pseudogeenid on mittetoimivad DNA järjestused, mis on sarnased toimivate geenidega.
Tõenäoliselt tekkisid need dubleerimise teel ja koopiad muutusid mitteaktiivseks mutatsioonide tagajärjel, mis rikkusid mis tahes väljendusetappe.
Ühe versiooni kohaselt on pseudogeenid "evolutsiooniline reserv"; muul viisil esindavad nad "evolutsiooni ummikuid", kõrvalmõju kunagi toiminud geenide ümberkorraldused.
Transposoonid on struktuurselt ja geneetiliselt diskreetsed DNA fragmendid, mis võivad liikuda ühest DNA molekulist teise. Esmakordselt ennustas B. McClintock (joonis 8) XX sajandi 40. aastate lõpus maisi geneetiliste katsete põhjal. Maisiterade värvuse olemust uurides tegi ta oletuse, et on olemas nn mobiilsed ("hüppavad") geenid, mis võivad raku genoomis ringi liikuda. Olles maisiterade pigmentatsiooni eest vastutava geeni kõrval, blokeerivad mobiilsed geenid selle tööd. Seejärel tuvastati bakterites transposoonid ja leiti, et need vastutavad bakterite resistentsuse eest erinevate toksiliste ühendite suhtes.
Riis. 8.5. Barbara McClintock ennustas esimesena mobiilsete ("hüppavate") geenide olemasolu, mis on võimelised rakkude genoomis ringi liikuma.
Mobiilsed geneetilised elemendid täidavad järgmisi funktsioone:
1. kodeerivad valke, mis vastutavad nende liikumise ja replikatsiooni eest.
2. põhjustada rakkudes palju pärilikke muutusi, mille tulemusena moodustub uus geneetiline materjal.
3. viib vähirakkude moodustumiseni.
4. integreerudes kromosoomide erinevatesse osadesse, inaktiveerivad või võimendavad raku geenide ekspressiooni;
5. on oluline tegur bioloogilises evolutsioonis.
Geeniteooria hetkeseis
Kaasaegsed teooriad Geen moodustub geneetika ülemineku tõttu analüüsi molekulaarsele tasemele ja peegeldab pärilikkuse ühikute peent struktuurset ja funktsionaalset korraldust. Selle teooria peamised sätted on järgmised:
1) geen (tsistron) - päriliku materjali (organismides DNA ja mõnel viirusel RNA) funktsionaalne jagamatu ühik, mis määrab organismi päriliku tunnuse või omaduse avaldumise.
2) Enamik geene eksisteerib kahe või kujul rohkem alternatiivsed (üksteist välistavad) alleelide variandid. Kõik antud geeni alleelid paiknevad samas kromosoomis selle teatud osas, mida nimetatakse lookuseks.
3) Geeni sees võivad toimuda muutused mutatsioonide ja rekombinatsioonide vormis; mutoni ja rekoni minimaalsed suurused on võrdsed ühe nukleotiidide paariga.
4) On struktuursed ja reguleerivad geenid.
5) Struktuurigeenid kannavad teavet aminohapete järjestuse kohta konkreetses polüpeptiidis ja nukleotiidide järjestuse kohta rRNA-s, tRNA-s
6) Reguleerivad geenid kontrollivad ja suunavad struktuurgeenide robotit.
7) Geen ei osale otseselt valkude sünteesis, see on sünteesi matriitsiks mitmesugused RNA-d, mis osalevad otseselt valkude sünteesis.
8) Struktuurigeenides olevate nukleotiidide kolmikute paigutuse ja polüpeptiidi molekuli aminohapete järjestuse vahel on vastavus (kolineaarsus).
9) Enamik geenimutatsioone ei avaldu fenotüübis, kuna DNA molekulid on võimelised parandama (taastama oma loomulikku struktuuri)
10) Genotüüp on süsteem, mis koosneb diskreetsetest ühikutest – geenidest.
11) Geeni fenotüübiline avaldumine oleneb genotüübilisest keskkonnast, milles geen paikneb, välis- ja sisekeskkonna tegurite mõjust.
“Geen”, “genoom”, “kromosoom” on sõnad, mis on tuttavad igale koolilapsele. Kuid selle teema idee on üsna üldistatud, kuna biokeemilisse džunglisse süvenemine nõuab eriteadmisi ja soovi seda kõike mõista. Ja see, kui see on uudishimu tasemel, kaob kiiresti materjali esitluse raskuse all. Proovime mõista päriliku teabe keerukust teaduslikul polaarsel kujul.
Mis on geen?
Geen on väikseim struktuurne ja funktsionaalne teave elusorganismide pärilikkuse kohta. Sisuliselt esindab väike krunt DNA, mis sisaldab teadmisi teatud aminohapete järjestuse kohta valgu või funktsionaalse RNA (millest sünteesitakse ka valk) ehitamiseks. Geen määrab need tunnused, mis päranduvad ja edastatakse suguvõsa ahelas edasi järglastele. Mõnel üherakulisel organismil on geeniülekanne, mis ei ole seotud nende omalaadse paljunemisega, seda nimetatakse horisontaalseks.
Geenide "õlgadel" lasub tohutu vastutus selle eest, kuidas iga rakk ja organism tervikuna välja näevad ja töötavad. Need juhivad meie elu eostumisest kuni viimase hingetõmbeni.
Esimese teadusliku edusammu pärilikkuse uurimisel tegi Austria munk Gregor Mendel, kes 1866. aastal avaldas oma tähelepanekud herneste ristamise tulemuste kohta. Tema kasutatud pärandmaterjal näitas selgelt tunnuste edasikandumise mustreid, nagu herneste värvus ja kuju, aga ka lilled. See munk sõnastas seadused, millest sai alguse geneetika kui teadus. Geenide pärand tekib seetõttu, et vanemad annavad oma lapsele poole kõigist oma kromosoomidest. Seega moodustavad ema ja isa märgid segunedes uue kombinatsiooni juba olemasolevatest märkidest. Õnneks on planeedil rohkem võimalusi kui elusolendeid ja kaht absoluutselt identset olendit on võimatu leida.
Mendel näitas, et pärilikud kalduvused ei segune, vaid kanduvad vanematelt järglastele diskreetsete (isoleeritud) üksuste kujul. Need üksused, mida indiviididel esindavad paarid (alleelid), jäävad diskreetseks ja kanduvad edasi järgmistele põlvkondadele isas- ja naissugurakkudes, millest igaüks sisaldab ühte ühikut igast paarist. 1909. aastal nimetas Taani botaanik Johansen need üksused geenideks. 1912. aastal näitas Ameerika Ühendriikide geneetik Morgan, et need on kromosoomides.
Sellest ajast on möödunud rohkem kui poolteist sajandit ja uurimine on edenenud kaugemale, kui Mendel oleks osanud arvata. Praegu on teadlased asunud seisukohale, et geenides sisalduv informatsioon määrab elusorganismide kasvu, arengu ja funktsioonid. Või isegi nende surm.
Mis on kromosoom? sugukromosoomid
Inimese geenide kogumit nimetatakse genoomiks. Loomulikult ei saa kogu genoomi pakkida ühte DNA-sse. Genoom on jagatud 46 paariks DNA molekule. Ühte DNA molekulide paari nimetatakse kromosoomiks. Nii et just nendes kromosoomides on inimesel 46 tükki. Iga kromosoom kannab endas rangelt määratletud geenide komplekti, näiteks 18. kromosoom sisaldab silmavärvi kodeerivaid geene jne. Kromosoomid erinevad üksteisest pikkuse ja kuju poolest. Levinumad vormid on X- või Y-kujulised, kuid on ka teisi. Inimesel on kaks ühesuguse kujuga kromosoomi, mida nimetatakse paaristeks (paarideks). Seoses selliste erinevustega on kõik paaris kromosoomid nummerdatud – neid on 23 paari. See tähendab, et on olemas kromosoomipaar #1, paar #2, #3 jne. Iga konkreetse tunnuse eest vastutav geen asub samas kromosoomis. Kaasaegsetes spetsialistide käsiraamatutes võib geeni lokalisatsiooni näidata näiteks järgmiselt: kromosoom 22, pikk käsi.
Millised on kromosoomide erinevused?
Kuidas muidu kromosoomid üksteisest erinevad? Mida tähendab mõiste pikk käsi? Võtame X-kujulised kromosoomid.DNA ahelate ristumine võib toimuda rangelt keskel (X) või mitte tsentraalselt. Kui selline DNA ahelate ristumiskoht ei toimu tsentraalselt, siis lõikepunkti suhtes on ühed otsad pikemad, teised lühemad. Selliseid pikki otsi nimetatakse tavaliselt kromosoomi pikaks käeks ja lühikesi otsi vastavalt lühikeseks käeks. Y-kujulised kromosoomid on enamasti hõivatud pikkade kätega ja lühikesed on väga väikesed (neid pole skemaatilisel pildil isegi näidatud).
Kromosoomide suurus kõigub: suurimad on paaride nr 1 ja nr 3 kromosoomid, kõige väiksemad paaride nr 17, nr 19 kromosoomid.
Lisaks kuju ja suurusele erinevad kromosoomid ka oma funktsioonide poolest. 23 paarist on 22 paari somaatilised ja 1 paar seksuaalsed. Mida see tähendab? Somaatilised kromosoomid määravad kindlaks kõik indiviidi välised tunnused, tema käitumisreaktsioonide omadused, päriliku psühhotüübi, see tähendab iga inimese kõik tunnused ja omadused. Sugukromosoomipaar määrab inimese soo: mees või naine. Inimese sugukromosoome on kahte tüüpi – X (X) ja Y (Y). Kui need on kombineeritud kui XX (X - X) - see on naine ja kui XY (X - Y) - on meie ees mees.
Pärilikud haigused ja kromosoomikahjustused
Küll aga toimuvad genoomi "lagunemised", siis avastatakse inimestel geneetilised haigused. Näiteks kui 21 kromosoomipaaris on kahe asemel kolm kromosoomi, sünnib inimene Downi sündroomiga.
Geneetilises materjalis on palju väiksemaid "lagunemisi", mis ei too kaasa haiguse algust, vaid vastupidi, annavad häid omadusi. Kõiki geneetilise materjali "lagunemisi" nimetatakse mutatsioonideks. Negatiivseks loetakse mutatsioone, mis põhjustavad haigusi või organismi omaduste halvenemist, positiivseks aga mutatsioone, mis viivad uute kasulike omaduste tekkeni.
Kuid enamiku haiguste puhul, mida inimesed tänapäeval põevad, ei ole see pärilik haigus, vaid ainult eelsoodumus. Näiteks lapse isal imendub suhkur aeglaselt. See ei tähenda, et laps sünniks diabeet aga lapsel on eelsoodumus. See tähendab, et kui laps kuritarvitab maiustusi ja jahutooteid, tekib tal diabeet.
Tänapäeval areneb nn ennustav meditsiin. Selle meditsiinipraktika osana tuvastatakse inimesel eelsoodumused (vastavate geenide tuvastamise alusel) ja seejärel antakse talle soovitused - millist dieeti järgida, kuidas töö- ja puhkerežiime õigesti vahelduda, et mitte saada. haige.
Inimkonna mitmekesisuse allikad
Geenid kannavad plaane (või "jooniseid") nii kõigile inimestele omaste ühiste tunnuste kui ka arvukate individuaalsete erinevuste kohta. Need määravad kindlaks spetsiifilised omadused, mis eristavad inimest teistest elusolenditest sellistes valdkondades nagu keha suurus ja kuju, käitumine ja vananemine, määrates samal ajal need ainulaadsed omadused, mis meid üksteisest eristavad. Selle põhjal võib omanäoliseks pidada 80 kilogrammi kaaluvat sinisilmset blondi, kergelt väljaulatuvate kõrvade ja nakatava naeratusega, tromboonil meisterlikult jazzi mängivat.
Inimese elu algab ühest viljastatud rakust – sigootist. Pärast sperma sisenemist munarakku liigub 23 kromosoomi (sõna otseses mõttes "värvitud kehad") sisaldav munaraku protuum mõne tunni jooksul oma keskmesse. Siin sulandub see sperma protuumaga, mis sisaldab samuti 23 kromosoomi. Seega sisaldab moodustunud sügoot 23 paari kromosoome (kokku 46 kromosoomi), poole kummaltki vanemalt, normaalse lapse sünniks vajalik kogus.
Sügoot- inimese esimene rakk, mis tekib - viljastamise tulemusena.
Pärast sügoodi moodustumist algab rakkude jagunemise protsess. Esimese purustamise tulemusena ilmuvad kaks tütarrakku, mis on oma struktuurilt identsed algse sügootiga. Rakkude edasise jagunemise ja diferentseerumise käigus sisaldab iga äsja moodustunud rakk täpselt sama arvu kromosoome kui iga teine ehk 46. Iga kromosoom koosneb paljudest ahelasse paigutatud geenidest. Ekspertide hinnangul ulatub geenide arv ühes kromosoomis kümnete tuhandeteni, mis tähendab, et kõigis 16 kromosoomis on neid umbes miljon (Kelly, 1986). Üheksa kuud pärast viljastumist areneb sügoodist vastsündinud laps, kellel on kümme triljonit rakku, mis on organiseeritud organiteks ja süsteemideks. Täiskasvanueas on tema kehas juba üle 300 triljoni raku. Igaüks neist 13 sisaldab indiviidi täielikku geneetilist koodi.
Geenid on üles ehitatud DNA-st (desoksüribonukleiinhape) - tohutu molekul, mis koosneb süsiniku, vesiniku, hapniku, lämmastiku ja fosfori aatomitest. "AT Inimkeha sisaldab nii palju DNA molekule, et joonena välja venitades ületab selle pikkus kaks korda 20 tuhat korda kaugust Maast Kuuni” (Rugh & Shettles, 1971, lk 199). DNA ehitus meenutab pikka keerdtreppi, mille külgpiirded on valmistatud vahelduvatest fosfaatidest ja suhkrutest ning astmed nelja tüüpi lämmastikualustest, mis on omavahel korrapäraselt paarikaupa ühendatud. Nende paaristatud aluste järjekord muutub ja just need variatsioonid põhjustavad ühe geeni erinevat teist. Üks geen on osa sellest DNA redelist, mis võib oma spiraalis olla kuni 2000 sammu pikk (Kelly, 1986).
Watson ja Crick (1953) väitsid, et hetkel, kui rakk on pooldumiseks valmis, kerib DNA spiraal lahti ja kaks pikka ahelat lahknevad eri suundades, eraldudes üksteisest paariliste lämmastikualuste vaheliste sidemete katkemise tõttu. Siis iga kett, meelitades rakust enda poole uus materjal, sünteesib teise ahela ja moodustab uue molekuli, muutes DNA kogust või struktuuri. Nendes pikkades nukleiinhappe ahelates võib aeg-ajalt esineda mutatsioone või ümberkorraldusi. Enamasti viivad sellised ümberkorraldused valgu (ja sellest tulenevalt ka raku) surmani, kuid väike hulk mutante jääb ellu ja mõjutab organismi veelgi.
Mutatsioon- muutus DNA koguses või struktuuris ja seega ka geneetilises koodis.
DNA sisaldab geneetilist koodi ehk kavandit, mis reguleerib organismi toimimist ja arengut. See plaan, mis sisaldab kõiki objekte ja nende ehitamise täpseid kuupäevi, on aga lukus raku tuumas ja on kättesaamatu nendele selle elementidele, mis on määratud keha ehitamiseks. RNA (ribonukleiinhape) – DNA-st moodustunud ja sellega sarnane aine – toimib sõnumitoojana tuuma ja ülejäänud raku vahel. Kui DNA on "mis" ja "millal", siis RNA on arengu "kuidas". Lühemad RNA ahelad, mis on DNA molekuli lõikude peegelpildid, liiguvad vabalt raku sees ja toimivad katalüsaatorina uue koe moodustumisel.
Viirused
Umbes 1% inimese genoomist on hõivatud sisseehitatud retroviiruse geenidega (endogeensed retroviirused). Tavaliselt ei too need geenid peremeesorganismile kasu, kuid on ka erandeid. Nii jõudsid umbes 43 miljonit aastat tagasi retroviiruse geenid, mille eesmärk oli viiruse ümbris, ahvide ja inimeste esivanemate genoomi. Inimestel ja ahvidel osalevad need geenid platsenta töös.
Enamik retroviirustest integreeriti inimese esivanemate genoomi üle 25 miljoni aasta tagasi. Inimese nooremate endogeensete retroviiruste hulgast pole seni kasulikke leitud.
Mõiste "geen" tekkis ammu enne seda uuriva teaduse tekkimist. Tšehhi loodusteadlane, moodsa geneetika rajaja Grgeor Mendel jõudis 1865. aastal herneste ristamise katseid analüüsides järeldusele, et tunnuste pärimise viivad läbi diskreetsed osakesed, mida ta nimetas "algeteks" või pärilikeks "teguriteks". Charles Darwin pakkus 1868. aastal välja pangeneesi "ajutise hüpoteesi", mille kohaselt eraldavad kõik keharakud endast spetsiaalsed osakesed ehk kalliskivid, millest omakorda moodustuvad sugurakud.
Seejärel esitas Hugo de Vries 1889. aastal, 20 aastat pärast Charles Darwinit, oma hüpoteesi rakusisese pangeneesi kohta ja võttis kasutusele termini "pangen", et viidata rakkudes esinevatele aineosakestele, mis vastutavad konkreetsele konkreetsele inimesele iseloomulike individuaalsete pärilike omaduste eest. liigid. Charles Darwini kalliskivid esindasid kudesid ja elundeid, de Vriesi pangeenid vastasid liigisisestele pärilikele tunnustele.
1906. aastal võttis inglise teadlane W. Betson kasutusele teaduse nimetuse - "geneetika" ja kolm aastat hiljem, 1909. aastal leidis Taani teadlane V. Johansen, et on mugav kasutada ainult teist osa mõistest Hugo de Vries "geen". " ja asendada see ebamäärase mõistega "alge", "determinant", "pärilik tegur". Samas rõhutas W. Johansen, et "see termin on täiesti mitteseotud ühegi hüpoteesiga ja selle eeliseks on selle lühidus ja lihtsus, millega seda saab kombineerida teiste nimetustega." Ta moodustas kohe võtmetuletuskontseptsiooni "genotüüp", mis tähistab sugurakkude ja sügootide pärilikku konstitutsiooni fenotüübi asemel. Seega jõudis geneetikasse kontseptsioon geenist kui pärilikkuse elementaarsest ühikust. Edaspidi viimistleti seda tänu arvukatele avastustele pidevalt: tõestati geenide lokaliseerimine kromosoomides; selgus, et geenid muutuvad mutatsioonide tagajärjel; töötati välja alleelide kontseptsioon ja nende lokaliseerimine homoloogsete kromosoomide vastavates lookustes. Kõigis geeniuuringutes muutub geen üldtunnustatud pärilikkuse ühikuks.
Geneetikute seas valitses üldine usk geeni jagamatusse. Nad kujutasid geeni ette tervikuna, kui viimast elementaarset pärilikkuse ühikut. Kuid juba 1930. aastate alguses tekkisid kahtlused, et geen on jagamatu. Esimene signaal selles osas oli mitme alleeli või mitme alleeli seeria avastamine. Selgus, et üksainus geen võib muutuda, andes hulga mutatsioone, mis on seotud konkreetse tunnuse muutustega.
Mõnes organismis ja ennekõike Drosophilas avastati rida alleele, mis sisaldasid kümneid erinevaid mutatsioone, ja veistel leiti rida alleele, sealhulgas kuni 80 mutatsiooni, s.o mutatsioonide tulemusena ühe 80 erinevat olekut. lookus tekkis.
Alates 1930. aastate algusest algas geeni uurimisel uus etapp. A. S. Serebrovski labor tegeles selle struktuuri väljatöötamisega. A. S. Serebrovski, seejärel N. P. Dubinini töö näitas, et geenil on palju keerulisem struktuur, kui seni arvati.
Tööd viidi läbi Drosophila sugukromosoomis lokaliseeritud scute geeni uurimiseks. See geen määrab kärbse kehal harjaste kujunemise. Geeni mitmesugused alleelsed mutatsioonid, mis on seotud Drosophila teatud kindlates kehapiirkondades esinevate sarvkestade vähearenenud ja erineva astme vähenemisega. Nende mutatsioonide geneetilise analüüsi käigus, neid omavahel ristades, selgus, et heterosügootis käituvad nad osaliselt alleelsete geenidena, osaliselt aga iseseisvate kromosoomi lookuste mutatsioonidena. Seega osutus geen keerukaks süsteemiks, milles mutatsioonid põhjustavad muutusi ainult selle üksikutes osades.
Nimetus "mitme alleel" asendati edukamate "astmeliste alleelidega" ja püstitati hüpotees geeni keerulise struktuuri kohta. Geeni tervikuna nimetatakse "basigeeniks" ja muteerunud alleelid on "transgeenid".
Geeni ehituse uurimise edasine areng on seotud geeniuuringute meetodite üleminekuga kromosoomilt molekulaarsele tasemele. Suure tähtsusega oli kuni selle ajani vähe uuritud mikroorganismide kasutamine geneetikute töös: bakterid ja isegi mitterakulised vormid - viirused. Nendes töödes olid eriti olulised uuringud T-rühma bakteriofaagide kohta, mis nakatavad Escherichia coli't.
Geeni olemuse uurimisel oli erilise tähtsusega Benzeri ja mitmete teiste bakteriofaagide ja muude objektide uurijate töö. Oma töö tulemusena võttis Benzer kasutusele kolm uut kontseptsiooni:
- Varem arvati, et ristumine võib toimuda ainult geenide vahel ja seega on geen geneetilise rekombinatsiooni elementaarne üksus. Siiski on tõestatud, et rekombinatsioonid toimuvad ka geeni sees. Väikseimat rekombinatsiooni ühikut nimetatakse rekon.
- Varem peeti geeni mutatsiooniühikuks. Siiski leiti, et muutused kompleksse geeni üksikutes lõikudes toovad kaasa muutuse selle funktsioonis. Väikseimat muutumisvõimelist üksust nimetati mutooniks.
- Geeni peeti funktsiooniühikuks. Paljud uuringud on näidanud, et geeni funktsioon võib muutuda sõltuvalt sellest, kas kompleksgeeni kaks mutantset alleeli asuvad samas kromosoomis ja nende normaalsed alleelid on homoloogses (cis-asendis) või mutantsed alleelid paiknevad kromosoomis. kaks homoloogset kromosoomi (transpositsioon). Funktsiooniühikut soovitatakse nimetada tsistroniks.
Biokeemikute ja geneetikute paralleeltöö näitas, et rekoni ja mutoni väikseim suurus on lähedane ühe või mitme nukleotiidi suurusele. Tsistron on homoloogne DNA segmendiga, mis "kodeerib" teatud polüpeptiidi sünteesi ja sisaldab tuhat või enamat nukleotiidi.
Geenide funktsionaalne geneetiline klassifikatsioon
On mitmeid geenide klassifikatsioone (alleelsed ja mittealleelsed, letaalsed ja poolletaalsed geenid jne). Geeni kui päriliku materjali funktsiooni üksuse omadused ja genotüübi organiseerituse süsteemne põhimõte kajastuvad pärilike kalduvuste funktsionaalses geneetilises klassifikatsioonis.
Struktuurne nimetatakse geenideks, mis kontrollivad spetsiifiliste tunnuste arengut. Geeni esmase aktiivsuse produkt on kas mRNA, millele järgneb polüpeptiid, või rRNA ja tRNA. Seega sisaldavad struktuurgeenid teavet makromolekulide aminohappe- või nukleotiidjärjestuste kohta. Klassifikatsioonis loetletud kolme alarühma struktuurigeenid erinevad pleiotroopse toime astme poolest ning väljendunud pleiotroopia eristab teise ja kolmanda alarühma geene, mis toimivad aktiivselt kõigis rakkudes. Nende mutatsioonidega täheldatakse erinevaid ja ulatuslikke häireid organismi arengus. Pole juhus, et need geenid esinevad genotüübis mitmekümnes koopias ja on moodustunud mõõdukalt korduvatest DNA järjestustest.
modulaatori geenid tunnuse arenemisprotsess või muud geneetilised nähtused, näiteks struktuursete geenide mutatsioonide sagedus, nihkuvad ühes või teises suunas. Mõned struktuurigeenid täidavad samaaegselt modulaatorite rolli (vt "positsiooniefekti" näidet). Teistel modulaatorgeenidel näib puuduvat muud geneetilised funktsioonid. Selliste geenide ilmumine evolutsioonis oli väga oluline. Tänu pleiotroopsele toimele on paljudel struktuurigeenidel koos organismi normaalseks arenguks soodsate ja vajalikega ka soovimatud mõjud, mis vähendavad indiviidi elujõulisust. Nende kahjulikku mõju nõrgendavad modulaatorgeenid.
regulatiivseks hõlmab geene, mis koordineerivad struktuursete geenide tegevust, mis juhivad erinevate lookuste sisselülitumisaega isendiarengu protsessis, olenevalt mitmerakulise organismi rakutüübist, aga ka keskkonnaseisundist.
Molekulaarbioloogilised kontseptsioonid geenide ehitusest ja toimimisest
Molekulaarbioloogia ideed on tänaseks läbinud kõik eluteaduse harud ning määranud peamised suundumused teoreetilise, eksperimentaal- ja rakendusbioloogia arengus. Molekulaarbioloogia arenes välja nukleiinhapete ja valkude füüsikalis-keemiliste omaduste ja bioloogilise rolli uurimise käigus. Selle aluse panid tööd viiruste ja faagide geneetika, päriliku materjali keemilise olemuse, valkude biosünteesi mehhanismi, bioloogilise koodi ja raku ultrastruktuurse korralduse seaduste kohta. Sellega seoses võib molekulaarbioloogiat määratleda kui uurimisvaldkonda, mis uurib informatsiooniliste makromolekulide struktuuri ja muutuste seaduspärasusi ning nende osalemist elu põhiprotsessides.
Geneetika vallas paljastas molekulaarbioloogia pärilikkusaine keemilise olemuse, näitas füüsikalis-keemilisi eeldusi informatsiooni rakus talletamiseks ja selle täpseks kopeerimiseks edasikandmiseks mitme põlvkonna jooksul. Enamiku bioloogiliste objektide DNA (imetajatest bakteriofaagideni) sisaldab võrdses koguses nukleotiide puriini (adeniin, guaniin) ja pürimidiini (tüümiin, tsütosiin) lämmastiku alustega. See tähendab, et DNA molekulide ühendamine kaksikheeliksiks toimub loomulikult, kooskõlas komplementaarsuse põhimõttega – adenüülnukleotiid seondub tümidüülnukleotiidiga ja guanüülnukleotiid tsütidüülnukleotiidiga (joonis 53). See disain võimaldab poolkonservatiivset DNA reduplikatsiooni. Samal ajal on paarid A - T ja G - C paigutatud juhuslikult piki DNA bispiraali - A + T ≠ G + C. Seetõttu on lämmastikaluse poolest erinevate nukleotiidide iseseisval kombineerimisel võimalik salvestada mitmesugust teavet. DNA molekulide pikkuses, mille maht on võrdeline nukleiinhappe hulgaga rakus.
Molekulaarbioloogiliste kontseptsioonide kohaselt iseloomustab geeni kui päriliku materjali funktsioneerimisühikut keeruline struktuur. Paljud geeni peenstruktuuri üksikasjad jäävad teadmata. Edu siiski kaasaegne teadus selles piirkonnas on piisavalt suured, et koostada toimiva geeni põhimudel.
Geeni funktsionaalne aktiivsus seisneb RNA molekulide sünteesis DNA molekulil või bioloogilise informatsiooni transkriptsioonis (ümberkirjutamises), et seda kasutada valgu moodustamiseks. Transkriptsiooniühikud (transkriptonid) on struktuurigeenidest suuremad (joonis 54). Vastavalt ühele eukarüootsete rakkude transkiptoni mudelitest koosneb see mitteinformatiivsest (aktseptorist) ja informatiivsest tsoonist. Viimase moodustavad struktuurgeenid (tsistronid), mis on eraldatud DNA insertidega – speisseritega, mis ei kanna informatsiooni valkude aminohappejärjestuste kohta. Mitteinformatiivne tsoon algab promootorgeeniga (p), millele on kinnitatud ensüüm RNA polümeraas, mis katalüüsib DNA-st sõltuva ribonukleiinhapete moodustumise reaktsiooni. Sellele järgnevad aktseptorgeenid ehk operaatorgeenid (α 1, α 2 jne), seonduvad regulatoorsed valgud (r 1, r 2 jne), muutused, milles "avavad" struktuurgeenide DNA (s 1, s). 2 jne) teabe lugemiseks. Transkriptonil sünteesitakse üks suur RNA molekul. Tänu töötlemisele selle mitteinformatiivne osa hävib ja informatiivne osa jaguneb üksikutele struktuurigeenidele vastavateks fragmentideks. Need spetsiifiliste polüpeptiidide sünteesiks mRNA kujul olevad fragmendid transporditakse tsütoplasmasse. Ülaltoodud mudeli kohaselt sisaldab ärakiri mitmeid struktuurseid geene. Nende geenide rühm moodustab funktsionaalse üksuse ja seda nimetatakse operoniks. Operonite funktsionaalne ühtsus sõltub operaatorgeenide olemasolust, mis võtavad vastu signaale tsütoplasma metaboolsest aparaadist ja aktiveerivad struktuurseid geene.
Prokarüootidel on uuritud geenide talitlust reguleerivate signaalide olemust. Need on valgud, mille sünteesi juhivad operaatorgeenidele mõjuvad spetsiaalsed regulaatorgeenid. Struktuurgeenide aktiveerimine geeniregulaatorite ja operaatorite abil on näidatud diagrammil (joonis 55). Normaalsetes tingimustes on regulaatorgeen aktiivne ja rakus sünteesitakse repressorvalk, mis seondub operaatorgeeniga ja blokeerib selle. See lülitab kogu operoni funktsioonist välja.
Operoni aktiveerumine toimub siis, kui tsütoplasmasse tungivad substraadi molekulid, mille seedimine eeldab vastava ensüümi sünteesi taasalustamist. Substraat kinnitub repressori külge ja jätab selle ilma võimest blokeerida operaatorgeeni. Sel juhul loetakse struktuurgeenist infot ja moodustub vajalik ensüüm. Kirjeldatud näites mängib substraat "oma" ensüümi sünteesi indutseerija (stimulaatori) rolli. Viimane käivitab biokeemilise reaktsiooni, milles seda substraati kasutatakse. Selle kontsentratsiooni vähenemisel vabanevad repressormolekulid, mis blokeerivad operaatori geeni aktiivsust, mis viib operoni väljalülitamiseni. Bakterites on kirjeldatud regulatsioonisüsteemi, mis muudab aktiivsed struktuurgeenid inaktiivseks olekuks sõltuvalt teatud biokeemilise reaktsiooni lõpp-produkti kontsentratsioonist tsütoplasmas (joonis 56). Sel juhul moodustub regulaatorgeeni geneetilise kontrolli all operaatorgeeni repressori inaktiivne vorm. Repressor aktiveerub interaktsiooni tulemusena selle biokeemilise reaktsiooni lõpp-produktiga ja operaatori geeni blokeerimisega lülitab vastava operoni välja. Repressorit aktiveeriva aine moodustumist katalüüsiva ensüümi süntees peatub. Kirjeldatud struktuurigeenide talitluse reguleerimise süsteemid on oma olemuselt adaptiivsed. Esimeses näites vallandab ensüümi sünteesi vastava reaktsiooni substraadi sisenemine rakku, teises ensüümi teke peatub kohe, kui kaob vajadus teatud aine sünteesi järele.
Eukarüootide geenide aktiivsuse reguleerimise põhimõtted on ilmselt sarnased bakterite omadega. Samal ajal tingis eukarüootsele tüübile ülemineku ajal tuumamembraani ilmumine, geenide interaktsioonide komplikatsioon diploidsuse tingimustes, vajadus mitmerakulise organismi üksikute rakkude geneetiliste funktsioonide täpse korrelatsiooni järele. rakuline organiseeritus, regulatiivsete geneetiliste mehhanismide komplikatsioon, mille geneetilised, biokeemilised ja küberneetilised alused on siiani suures osas teadmata.selgitatud. Samuti võib oletada, et operaatorgeenide arv on evolutsiooni käigus suurenenud. Paljude eukarüootsete struktuurgeenide transkriptsiooni indutseerijad on hormoonid. Eeldatakse, et on olemas integraatorgeene, mis lülitavad stiimulile reageerides samaaegselt sisse "geenipatareid". Kõrgemate organismide geneetilist süsteemi eristab ilmselt mittegeneetiliste tegurite toimele reageerimise suur paindlikkus. Selle oletuse toetamiseks kaaluge mitmeid tegureid. Seega ei ole mõned struktuursed loomageenid koodonite pidevad järjestused, vaid koosnevad fragmentidest, mida katkestavad DNA mitteinformatiivsed lõigud. Näiteks hiire hemoglobiini P-polüpeptiidi geen katkestatakse 550 aluspaari pikkuse insertsiooniga. Sellele inserdile vastav piirkond puudub küpses globiini mRNA-s, mis näitab selle hävimist primaarse transkribeeritud RNA töötlemise ajal koos mRNA teabefragmentide taasühendamisega. Selliste geenide teabelõike nimetatakse eksoniteks, "vaikideks" - introniteks ja mRNA informatsiooniliste fragmentide taasühendamise protsessi - splaissimist (fusiooni). DNA hulk intronite piirkonnas on 5-10 korda suurem kui eksonite piirkonnas. Eeldatakse, et splaissimine toimib mehhanismina mõnede geenide moodustamiseks nende funktsionaalse aktiivsuse ajal, st mRNA 1. tasemel.
Tuntud on ka "ränduvad" struktuurgeenid, mille asukoht kromosoomis muutub olenevalt elutsükli faasist. Seega koosnevad "rasked" ja "kerged" immunoglobuliini polüpeptiidid konstantsetest (C) ja varieeruvatest (Y) piirkondadest, mille sünteesi kontrollivad seotud, kuid erinevad geenid. Küpsetes plasmarakkudes eraldatakse need geenid 1000 aluspaari pikkuse transkribeerimata insertiga. Embrüonaalsetes rakkudes on nimetatud insert kordades pikem. Seega muutub rakkude diferentseerumise protsessis geenide vastastikune paigutus. Eukarüootide geenide aktiivsuse ja geenide interaktsiooni reguleerimise mehhanismide uurimine on tänapäevase molekulaarbioloogia ja geneetika oluline valdkond.
Geeni omadused
Geenil kui päriliku materjali funktsioneerimisüksusel on mitmeid omadusi.
- Spetsiifilisus – iga struktuurgeeni unikaalne nukleotiidjärjestus, s.o. iga geen kodeerib oma tunnust;
- Terviklikkus – funktsionaalse üksusena (valgusünteesi programmeerimine) on geen jagamatu;
- Diskreetsus – geen sisaldab alaühikuid: muton – mutatsiooni eest vastutav alaüksus, rekon – rekombinatsiooni eest vastutav. Nende minimaalne väärtus on nukleotiidide paar;
- Stabiilsus - geen kui diskreetne pärilikkuse üksus eristub stabiilsuse (püsivuse) poolest - mutatsiooni puudumisel edastatakse see muutumatul kujul mitme põlvkonna jooksul. Ühe geeni spontaansete mutatsioonide sagedus on ligikaudu 1·10-5 põlvkonna kohta.
- Labilsus – geenide stabiilsus ei ole absoluutne, nad võivad muutuda, muteeruda;
- Pleiotroopia – ühe geeni mitmekordne toime (üks geen vastutab mitme tunnuse eest);
Geeni pleiotroopse toime näide inimestel on Marfani sündroom. Kuigi see pärilik haigus sõltub ühe muudetud geeni olemasolust genotüübis, iseloomustab seda tüüpilistel juhtudel märkide kolmik: silmaläätse subluksatsioon, aordi aneurüsm, luu-lihassüsteemi muutused ämbliku kujul. sõrmed", deformeerunud rind, kõrge jalavõlv. Kõik ülaltoodud on keerulised. Ilmselt põhinevad need samal sidekoe arengu defektil.
Kuna geenifunktsiooni produktiks on enamasti valk-ensüüm, siis pleiotroopse toime raskusaste sõltub biokeemilise reaktsiooni levikust organismis, mida katalüüsib selle geeni geneetilise kontrolli all sünteesitav ensüüm. Lesioonide levimus organismis päriliku haiguse korral on seda suurem, mida tugevam on muutunud geeni pleiotroopne toime.
Geen, mis esineb genotüübis avaldumiseks vajalikus koguses (1 alleel domineerivate tunnuste ja 2 alleeli retsessiivsete tunnuste korral), võib erinevates organismides avalduda tunnusena erineval määral (ekspressiivsus) või üldse mitte avalduda (penetrantsus). ). Ekspressiivsuse ja läbitungivuse määravad keskkonnategurid (keskkonnatingimuste mõju – modifikatsiooni varieeruvus) ja teiste genotüübi geenide mõju (kombinatiivne varieeruvus).
- Ekspressiivsus – geeni ekspressiooniaste tunnuses või geeni fenotüübilise avaldumise määr.
Näiteks veregrupi AB0 alleelidel inimestel on pidev ekspressiivsus (esinevad alati 100%) ja silmade värvi määravad alleelid on muutuva ekspressioonivõimega. Retsessiivne mutatsioon, mis vähendab Drosophila silmatahkude arvu, vähendab tahkude arvu erinevatel isikutel erinevatel viisidel kuni nende täieliku puudumiseni.
- Penetrance - tunnuse fenotüübilise avaldumise sagedus vastava geeni olemasolul (selle tunnusega isendite arvu suhe (protsentides) selle geeniga isendite arvusse);
Näiteks puusaliigese kaasasündinud nihestuse penetrance on inimestel 25%, s.o. selle haiguse all kannatab vaid 1/4 retsessiivsetest homosügootidest. Tundumise meditsiinilis-geneetiline tähendus: tervel inimesel, kelle üks vanematest põeb mittetäieliku penetratsiooniga haigust, võib olla ekspresseerimata mutantse geen, mis kandub edasi lastele.
diskreetne üksus pärilikkus kõrgemates organismides on geen. Teatud bioloogilise liigi kõigi geenide kogum on määratletud terminiga genoom (mõnikord see termin viitab üksiku raku või konkreetse organismi terviklikule geneetilisele süsteemile). Geen selle kõige praktilisemas tähenduses on DNA molekuli rangelt määratletud lõik, mille järjestus sisaldab kogu valgu või RNA molekuli sünteesiks vajalikku teavet. Geneetiline teave krüpteeritakse kõigi elusorganismide universaalse geneetilise koodi abil, milleks on nukleotiidi kolmikute - koodonite kogum. Iga selline kolmik (st iga 3 nukleotiidist koosnev järjestus) kodeerib ühe, rangelt määratletud aminohappe sünteesi valguses.
Koodonite sisselugemine protsessi geneetilise informatsiooni ülekandmine toimub järjestikku (geneetilise koodi lineaarsuse põhimõte) ja mis tahes nukleotiid võib olla osa ainult ühest koodonist (geneetilise koodi mittekattumise põhimõte). Geneetiline kood on degenereerunud, st. võimaldab kodeerida iga 20 aminohapet mitme võimaliku kolmikute kombinatsiooniga (kokku võib selliseid kombinatsioone olla 64). Geeni teatud infopiirkonna täpse nukleotiidjärjestuse dešifreerimine võimaldab üheselt tuvastada aminohappejärjestuse valgu vastava polüpeptiidpiirkonna koostises ja selle suuruse. Inimese täielik haploidne genoom (st mida kodeerib üks semantiline DNA ahel) sisaldab ligikaudu 30 000–40 000 geeni.
Inimese ja teised kõrgemad geenid organismid neil on äärmiselt keeruline struktuurne ja funktsionaalne korraldus ning need sisaldavad nukleotiidsaite, mis erinevad oma bioloogilise rolli poolest. Mõned neist (eksonid) on suhteliselt lühikesed, need on kodeerivad järjestused ja määravad valkude aminohappelise koostise; geeni teised osad (intronid) on tavaliselt palju pikemad ega kanna otsest infokoormust. Intronite lõplik roll pole veel kindlaks tehtud; oletatakse, et need võivad olla seotud geeniekspressiooni reguleerimise ja geneetilise informatsiooni "lugemise" peenmehhanismide kontrolliga. Geenide hulka kuuluvad ka spetsiaalsed regulatoorsed piirkonnad (promootorid, enhanserid, erinevad signaaljärjestused), mis tagavad DNA matriitsil toimuvate nukleotiidide sünteesi protsesside initsiatsiooni, intensiivsuse ja teatud ajalise järjestuse, samuti polünukleotiidide vaheproduktide modifitseerimise.
Vastavalt indikatiivsele hinnanguline, moodustavad tegelikud kodeerivad DNA järjestused mitte rohkem kui 3–10% kogu inimese genoomist.
Igas lahtris organism sisaldab täielikku geenikomplekti, kuid ainult väike osa neist on funktsionaalselt aktiivne igas konkreetses koes, s.t. väljendas. Geeniekspressiooni all mõistetakse selles salvestatud geneetilise teabe rakendamist, mis viib geeni primaarsete molekulaarsete produktide - RNA ja valgu - sünteesini. Just geeniekspressiooni ajaline ja koeline selektiivsus määrab organismi erinevate organite, kudede ja rakkude diferentseerumise ja funktsioneerimise eripära ontogeneesis.